影响混凝土外加剂与水泥适应性因素的分析

梁天宇

（广州市建筑科学研究院有限公司，广东 广州 510440）

随着城市建设规模的不断扩大，商品混凝土飞速发展，高强高性能混凝土在工程中的应用越来越多，混凝土设计除了考虑混凝土强度、耐久性之外，还要注意其施工性能。改善施工性能的主要措施是掺加外加剂，外加剂已成为现代混凝土制备技术和施工技术不可分割的重要组成部分，各种外加剂的应用更是使混凝土材料实现高性能化和绿色化的重要措施之一，然而混凝土外加剂与水泥之间有时存在不相适应性，并在一定程度上影响着外加剂的应用效果以及混凝土的性能。

水泥与外加剂不相适应主要表现在：混凝土坍落度经时损失大，混凝土凝结过快，甚至造成混凝土结构出现裂缝等情况，影响混凝土工作性能。如在某高速公路C40和C50预制梁混凝土配合比试配过程中，用某著名品牌的缓凝高效减水剂与某工厂的 P.O42.5水泥试拌，结果发生拌合物板结发热和流动度损失过快现象。后经查明是该水泥由于采用了无水石膏作为调凝剂，而与减水剂发生严重的不相容，才引起流动度损失过快和异常板结。水泥与外加剂适应性不好，可能是外加剂本身质量问题，也可能是水泥品质的原因及施工时使用方法不当造成的。本文将从水泥与外加剂的适应性的主要影响因素和改善措施两方面来阐述。

1 影响因素

1.1 水泥

1.1.1 水泥的矿物组成对外加剂的影响

加拿大人P.C Aticin［1］认为，水泥中的铝酸盐含量与硫酸盐形态和含量是影响水泥与外加剂适应性的主要因素。水泥中主要矿物成分主要有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）等，不同矿物组成主要是由生产水泥的原材料和生产工艺决定的，水泥的矿物组成中对外加剂分子的吸附作用是不一样的，其吸附顺序为 C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，可见，铝酸盐矿物对外加剂分子的吸附能力大于硅酸盐矿物，其原因是铝酸盐矿物在水化初期动电电位呈正值，因而对外加剂分子的吸附能力较强，而硅酸盐矿物在水化初期其动电电位呈负值，因此对外加剂分子的吸附能力较弱。在外加剂掺量相同的情况下：［2］水泥中铝酸盐矿物含量越高，外加剂的分散效果越差，外加剂对水泥的适应性越差；水泥中硅酸盐矿物含量越高，外加剂对水泥的适应性越好。

1.1.2 水泥中的碱含量

水泥中碱的存在有助于铝酸盐相的溶出，使得水泥粒子对外加剂的吸附量增加，所以随着水泥碱含量的增加，外加剂的塑化效果变差，而且碱含量的提高还会导致混凝土凝结时间的缩短和坍落度损失的加剧，减弱了高效外加剂的作用。但当可溶性碱的含量过低时，不仅当减水剂剂量不足时坍落度经时损失较快，而且当剂量稍高于饱和点时，会出现严重的离析与泌水。水泥中的可溶性碱主要由生产水泥的黏土质原料带入，通常以Na2O当量表示，即以（Na2O＋0.658K2O）占水泥质量的百分含量表示，这种可溶性碱的最佳含量为0.4%～0.6%。［3］由于水泥厂多采用新型干法工艺生产水泥，这种工艺生产的水泥碱含量较高，这给混凝土碱骨料反应的发生提供了必要条件。

1.1.3 水泥中石膏的形态和掺量

石膏作为水泥的缓凝剂，在水泥生产中用于调节水泥凝结时间，其遇水后溶解为 Ca2＋、SO42－，在水泥水化初期能抑制C3A水化速率，得到水泥和混凝土能所需要的工作性能，因此水泥中硫酸盐的数量和溶解度至关重要，但不同品质、不同形态的石膏溶解度和溶解速度差异较大，它们对水泥的缓凝作用不同。在水泥生产过程中，水泥磨内温度偏低时产生半水石膏少，不能抑制C3A的早期水化，导致急凝，与外加剂相容性变差；水泥磨内温度偏高时几乎全部二水石膏都转化为无水石膏，易导致水泥假凝；水泥磨内温度适当高，使部分二水石膏转化为溶解速度大的半水石膏，能很好地抑制C3A的早期水化，与外加剂适应性好，石膏中的结晶水越多，水泥和外加剂的适应性越好。三种结晶形态的石膏对木钙、糖钙外加剂的吸附能力为：无水石膏＞半水石膏＞二水石膏。因此，石膏的成分、溶解度含量直接影响混凝土的凝结时间，也影响混凝土外加剂与水泥的适应性。

同时水泥中石膏的掺量对外加剂也有影响，石膏掺量宜控制在1.3%～2.5%（以SO3百分比计算），如果石膏掺量不够或细度不够，使石膏不能充分溶解，当溶解度含量小于1.3%时，不能阻止水泥快凝，容易产生速凝现象，溶解度含量大于2.5%时，凝结时间的增长也很少。在水泥凝结时间控制范围内，适当提高水泥中SO3的含量，有利于改善水泥与外加剂的相容性，但适宜的SO3含量应根据水泥中C3A的含量、碱含量、水泥比表面积及生产水泥的品种来确定。［4］

1.1.4 水泥的颗粒细度

水泥颗粒对外加剂分子具有较强的吸附性，在掺加外加剂的水泥浆体中，水泥颗粒越细，比表面积越大，则对外加剂分子的吸附量越大，在相同的外加剂掺量下，对于细度较大的水泥，其塑化效果要差一些。而且水泥颗粒本身具有絮凝的作用，水泥颗粒越细，这种絮凝作用越明显，破坏这种絮凝所用的外加剂就越多。所以外加剂在相同掺量的情况下，水泥越细，其塑化效果就越差。

1.1.5 水泥的新鲜程度、温度的影响

一方面由于粉磨时会产生电荷，新鲜的水泥出磨时间短，颗粒间相互吸附凝聚的能力强，正电性强，吸附阴离子表面活性剂多，因此表现出减水剂减水率低，混凝土坍落度损失快的现象。另一方面刚磨出来的水泥温度很高，当水泥温度小于70 ℃时，对减水剂的塑化效果影响不大，当水泥温度超过80 ℃时，对减水剂的塑化效果降低明显，当水泥温度更高时，可能会造成二水石膏（CaSO4·2H2O）脱水变成无水石膏，需水量及外加剂吸附量明显增大，坍落度损失也会明显加快。所以，新鲜水泥（特别是出厂日期12 d内）具有需水量大、坍落度损失快、易速凝等特点。

1.2 外加剂种类

不同种类减水剂对水泥的适应性也不同，氨基磺酸盐和聚羧酸盐系减水剂对水泥适应性好，混凝土坍落度损失较小，但氨基磺酸盐掺量大时易泌水；萘系高效减水剂与蜜胺树脂系减水剂对水泥的适应性要差一些，主要表现在混凝土坍落度损失较快。特别是高浓型萘系减水剂（Na2SO4含量低于 5%）遇见“缺硫水泥”时，这种现象更为严重。

除了高效减水剂以外，普通减水剂、缓凝剂不同，对不同的水泥其适应性也不一样。因此，正确使用不同品种缓凝剂及缓凝减水剂是控制混凝土坍落度损失的一个非常重要的方法。

1.3 矿物掺合料的影响

混凝土的矿物掺合料主要有：粉煤灰、矿渣、磷渣、沸石、火山灰、硅灰等。在混凝土中掺入粉煤灰等矿物掺合料，有利于提高水泥浆体的流动性，提高外加剂的使用效果，改善外加剂与水泥间的适应性。由于具有颗粒表面接近球形、活性低、吸水量少、改善颗粒级配等特点，粉煤灰是目前使用最广泛、效果最好的矿物掺合料。

1.4 骨料级配对适应性的影响

骨料级配越好，外加剂与水泥的适应性就越好。良好骨料级配的混凝土，由于细骨料有效地填充粗骨料间的空隙，使填充骨料间空隙和包裹粗、细骨料所需的水泥浆体减少，节约的水泥浆体用来改善混凝土的流动性，所以外加剂使用效果更好。相反，骨料级配不良的混凝土，即使增加外加剂掺量也无法解决流动性差的问题。

1.5 环境条件的影响

当环境温度较高时，混凝土表面水分蒸发和水泥的水化反应速度都将加快，而混凝土内部游离水通过毛细管补充到混凝土表面，并被蒸发而减少。由于这两方面的原因，将使新拌混凝土坍落度损失加快。因此在高温环境中，需要提高混凝土外加剂的掺量，并采取措施减少混凝土表面的水分蒸发。搅拌及运输过程中气泡外溢也会引起坍落度损失。如果混凝土运输较远或者浇注速度较慢，则新拌混凝土因水化及水分蒸发会使坍落度损失加快。

2 改善水泥和外加剂适应性问题的措施

水泥与高效减水剂的适应性是影响新拌混凝土工作性的重要因素，长期以来，混凝土工作者在提高减水剂与水泥的适应性方面进行了大量的研究工作，提出了各种改善外加剂与水泥适应性，控制混凝土坍落度损失的方法。

2.1 新型高性能减水剂的开发应用

目前国内外广泛使用的高效减水剂主要为萘磺酸盐甲醛缩合物（萘系高效减水剂）和三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物（蜜胺树脂系高效减水剂），它们的减水率高，但缺陷是与水泥适应性较差，混凝土坍落度损失快。为了克服萘系高效减水剂和蜜胺树脂系高效减水剂的缺陷，目前国内外研究最多的是氨基磺酸盐系及聚羧酸盐系新型高效减水剂。这两种新型高效减水剂就可以很好地控制混凝土坍落度的损失。

2.2 外加剂的复合使用

通过外加剂的复合使用，提高减水剂与水泥的适应性，从而控制混凝土的坍落度，这是普遍使用的一种简单而经济的方法。该方法主要包括：高效减水剂与缓凝剂或缓凝减水剂的复合使用，主要通过缓凝组分的缓凝作用抑制水泥的早期水化反应，从而减小混凝土的坍落度经时损失；减水剂与引气剂复合使用，主要通过引入大量微小气泡，增大混凝土拌和物的流动性，同时增大黏聚性，减小混凝土的离析和泌水；减水剂与减水剂的复合使用，通过“协同效应”和“超叠加效应”，提高减水剂与水泥的适应性。［5］

2.3 外加剂的掺入方法

改变外加剂的掺入时间，即采用后掺法、多次添加法等方法，保持混凝土的流动性。在水化反应的整个过程中，保证水泥浆体中外加剂浓度，避免因外加剂数量下降，使大部分新生水化产物未能得到外加剂的吸附，引起水化产物相互搭接而产生凝结。

2.4 适当调整混凝土配合比法

混凝土拌合物初始坍落度值的大小对2 h经时损失速度影响很大。通常初始坍落度值小，坍落度2 h经时损失速度大，而随着初始坍落度值增大，特别是1 h坍落度经时损失速度减小。因此，对于运程较远的商品泵送混凝土，如果出现坍落度损失过快，而通过调整外加剂配方及掺量的方法，又不能很好地解决问题，在这种情况下，则可能通过适当调整混凝土配合比（包括浆量多少、砂率大小等），在原坍落度设计值基础上，在充分保证硬化混凝土的各种性能的前提下，适当增大混凝土初始坍落度，也不失为一种解决工程中紧急事件的应急方法。

有时导致水泥与外加剂不相适应的原因是多方面的和互相交织的，因此具体采取哪种解决措施就需要进行充分的前期试验和细致周密的分析。另外，此类问题要由水泥厂、外加剂厂、混凝土拌合物制备单位以及施工单位联手解决。

3 结束语

对于水泥与外加剂的适应性问题，前人已经做了大量工作，尤其是在对外加剂适应性影响因素方面研究已经取得了很大进步，实验表明，水泥与外加剂相容性的影响因素众多，很多因素之间既相互作用又相互依赖，几乎所有影响水泥与外加剂适应性的因素都与水泥的其他性能有关。本文从影响水泥与外加剂适应性的各种因素入手，探讨了改善外加剂适应性的一些可行的措施，希望能对混凝土原材料生产单位、混凝土制备单位以及混凝土施工单位技术人员有所启示。为避免水泥与外加剂不适应而造成的工程质量问题，应在生产施工前，先根据工程要求及材料特点进行外加剂与水泥适应性试验，选取合适的原材料及配比进行混凝土生产及施工，将因水泥与外加剂不相适应所造成的工程质量问题降低到最小程度。

1 P.C Aticin等.高效减水剂：如何起作用与为什么有时不好用［J］.美国混凝土学会期刊，混凝土国际，1994（5）

2 阳乾坤、李忠胜.预拌混凝土外加剂与水泥适应性问题的研究及对策［J］.工程质量，2010（08）

3 覃维祖.高效减水剂的作用与发展［J］.混凝土，1994（05）

4 李涛、杨光伟.改善水泥与混凝土外加剂相容性的技术措施［J］.水泥工程，2008（6）